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1、第七章 抗原抗体反应及应用 不论天然的还是人工合成的分子，只要能被机体的免疫系统识别的都可以诱导机体的免疫应答，产生相应的抗体。大多数抗体和抗原本身是既有免疫原性(诱发产生特异抗体)，又有反应原性(与特异的抗体相结合)。抗原与抗体的特异性反应不仅可以在体内进行，而且可以在体外进行。一切利用血清学技术方法所进行的各种测试都是基于这一根本的特性。抗体反应技术的应用之广泛已经远远超出了免疫学、医学、甚至生命科学的范围，成为类微量，灵敏，快速的检测分析方法。本章着重介绍抗体制备，抗体抗原反应原理及技术方法的应用。第一节抗体的制备 环境中的大部分生物(包括病原生物)及其产物分子和一些化合物对哺乳动物的免
2、疫系统而言是外源抗原，这些抗原能通过侵染或其他的途径刺激免疫系统，产生以抗体为主的体液免疫应答。同样用抗原人工免疫实验动物，可以获得含有特异性抗体的血清，称为抗血清(antiserum)，因血清中抗体是多个抗原决定簇刺激不同B细胞克隆而产生的抗体，所以称多克隆抗体(polyclonal antibody)。一个B细胞克隆所分泌的抗体即为单克隆抗体。用免疫动物的B细胞与骨髓瘤细胞融合，在体外可以分离出许多单个B细胞克隆，以此方法可制备单克隆抗体(monoclonal antibody)。随着分子生物学技术的发展，已经可以用抗体基因文库(antibody combinatorial library
3、)筛选制备单克隆抗体。应用基因工程技术，根据需要对抗体进行改造，获得基因工程抗体(engineering antibody)，以及催化性抗体(catalytic antibody 或abozyme)等的全新的抗体。 一、抗血清的制备 1免疫动物 (1)抗原：免疫动物是制备抗血清的第步。免疫所用的抗原可用病毒、细菌或者其他蛋白质抗原，如果使用半抗原如小分子激素等，必须与大分子载体连接，连接剂见表71。抗原的用量视抗原种类及动物而异，次注射小鼠可以少至几个微克，免、羊甚至更大的动物每次注射的量就相应增加，从几百g次至几mg次。2)佐剂及乳化：佐剂可以帮助抗原在注射部位缓慢释放，以增加免疫刺激的效果
4、。佐剂有完全和不完全佐剂之分。完全佐剂加有灭活的分枝杆菌(如卡介苗)或棒状杆菌。福氏佐剂可从试剂公司购买，也可用羊毛脂和石蜡油按1：24混合自行制备。佐剂与抗原按1：1的比例混合乳化为均匀的乳液，放置后不会发生油水分离。 (3)免疫动物：常用于制备抗血清的动物打豚鼠、家免、小鼠、大鼠等，如果大量生产可用动物羊、马等，动物接受免疫的乳液量小鼠为1020 mL，家兔为24mL。抗原免疫动物的途径取决于动物种类、抗原特性和是否使用佐剂。腹腔注射(ip)，肌肉注射(im)，皮内注射(id)和皮下注射(sc)适合于任何抗原，这些途径主要刺激局部淋巴结发生免疫应答，初次免疫和免疫加强注射均可使用。静脉注射
5、(i.v.)则只适合于可溶性抗原及分散的单细胞悬液，且不能使用佐剂，其诱发的免疫应答主要发生在脾脏。此外，在单克隆抗体制备时，亦可用脾脏直接注射或体外免疫方法，尤其对微量抗原比较实用。体外免疫方法也常用于人源单克隆抗体的制备。体外免疫时将脾细胞或外周血淋巴细胞(包括B细胞，T细胞及抗原递呈细胞)与抗原一起作体外培养，然后再与骨髓瘤细胞融合。初次免疫后要经过23次以上的免疫加强以保证能形成较高水平的IgC抗体。两次免疫注射之间的时间间隔，一般34周比较适合大部分动物，小动物可间隔1014d，大动物则在2月左右。在免疫加强最后一次注射后的一周内采集抗血清，可获得高水平的抗体。 2抗血清的纯化与保存
6、 （1）采血：加强免疫的动物23次后，可通过耳静脉或眼球(小鼠)采血，进行抗血清效价测定。当效价达到理想的高度后，可以采血。采血方式可以从心脏直接取血，也可通过动脉放血。待血液凝固后用针筒或吸管吸取血清。 (2)抗血清的纯化与保存：除抗体外血清中含有多种其他蛋白成分。为了避免这些蛋白质干扰抗体(免疫球蛋白)标记反应和抗原抗体反应，抗血清可经过纯化以获得单一的机体(常为IgG)组分。常用的纯化IgG的方法为饱和硫酸胺盐析和层析法。蛋白质在不同的盐浓度的溶液中，其溶解度不一样，盐离子干扰蛋白质和水分子间氢键形成，因为水盐结合比水蛋白质结合更稳定，蛋白质即可从溶液中沉淀出来。蛋白质分子越大，沉淀时所
7、需盐离子浓度越低。免疫球蛋白(Mr 1.5105)比血清中主要蛋白质白蛋白(M r 6.7104)的分子大得多，抗体在3050饱和度的硫酸盐中析出，而白蛋白需在7080饱和度才析出，因此常用33饱和度的硫酸胺纯化血清中的IgG。盐析时为了减少抗体变性，需在4进行，同时用pH8.0缓冲液稀释抗血清，以减少蛋白浓度过高而发生共沉淀。铵盐的溶解度不随温度变化而明显改变，0和25仅差3，而钠盐则相差5倍，因此常在低温沉淀时用铵盐，室温沉淀用钠盐。铵盐对抗体的标记反应(如FITC和biotin标记时)有一定的干扰作用。 盐析法只能部分纯化抗体，更高纯度的抗体制剂可用层析法制备。 IgM五聚体相对分子质量
8、达9.7105，比血清中任何其他蛋白都大，用分子筛层析很容易将其纯化。IgG在PH 80时带负电荷，能与DEAE纤维素上的阳离子结合，因此可用离子交换层析来纯化IgG。IgG纯化最常用的方法为亲和层析。IgG与葡萄球菌A蛋白和链球菌G蛋白具合高度的亲和性，可用这两种蛋白质交联亲和层析柱将IgG纯化。大部分IgG与蛋白A结合PH为89，洗脱PH为24；而与蛋白G的结合PH为57，洗脱PH为910。C蛋白更适合于IgG的纯化，不但反应条件为温和的弱酸性或弱碱性，并且与IgG的结合力高于A蛋白。G蛋自能与大部分动物种类的IgG结合，而A蛋白对小鼠IgG1、大鼠IgG2b、人IgG3、马和绵羊IgG结
9、合力弱或不能结合G蛋白和A蛋白均不能与鸡IgG结合。 抗血清或纯化的抗体在低温保存可维持活性数年，反复冻融使抗体很快失活，被细菌或霉菌污染的抗血清或IgG制品也易失去活性。稀释的抗血清加入防腐剂叠氮化钠和保护剂如BSA等可于4保存。长期保存常用等量甘油于20以下冷藏。也可置于 50饱和硫酸铵中4保存，还可以冷冻干燥保存。 3抗血清的特性鉴定 根据不同目的制备的抗血清，对其中所含抗体的浓度，特异性及免疫球蛋白种类的要求也不一样。为了获得质量和数量上合符要求的抗血清，在收集动物血清前必须对免疫效果进行检测，对收获后的抗血清也必须对些参数进行分析，如效价、亲和力及交叉反应等。 根据不同的抗原性质选用
10、合适的检测方法。最常用的为免疫沉淀，ELISA，放射免疫等。 效价又称滴度(titer)，是常用于表达抗血清中特异性抗体相对含量的个半定量指标，即在给定的条件下，结合定量抗原的抗血清的稀释度。抗血清经一系列稀释后(如倍比稀释)与定量的抗原反应，以能检测抗血清最大稀释倍数即为该抗血清的效价。不同的检测方法测定同一种抗血清的效价，灵敏度不一样，抗血清的效价也不一样，如沉淀反应(琼脂双扩散)与ELISA二者的效价相差甚大，后者远高于前者。放射免疫分析(RIA)常用于标记小分子抗原来检测抗血清的效价。 亲和力(affinity)表示抗血清与相应抗原的结合强度，是描述抗体持异性的重要指标，常用亲和常数K
11、表示。亲和常数K与抗原抗体反应的平衡常数有关： K+ AgAb AgAb KAgAb K+ K= K=AgAb K 式中K+为结合速度常数，K为解离速度常数。亲和常数K的测定见第二节 抗体特异性与交叉反应：抗体是特异的。只与相应抗原反应。实际制备的抗体却常有非特异性反应，这是因为抗原不纯造成的。多组分抗原之间存在共同的抗原决定簇，或者两个抗原决定簇结构类似能与同一抗体结合，均可出现抗体与异源抗原的交叉反应。用琼脂双扩散能简便直观地反映不同抗原与同一抗血清，或不同抗血清与同一抗原的交叉反应。 二、单克隆抗体的制备 1制备原理 单克隆抗体(MAb)与抗血清(又称多克隆抗体，PAb)最主要的区别是M
12、Ab为单一种B细胞克隆所产生的一种均一的免疫球蛋白分子。所以MAb是B细胞克隆的标志，是一种独特型的抗体，它的特异性是针对一个抗原决定簇的。制备单克隆抗体不能用化学分离的方法从多克隆抗体中去分离纯化得到它，而是用分离产生抗体的B细胞克隆的方法得到它。为了使B细胞克隆能在体外人工培养下长期存活并产生完全均一的MAb，GKhler合Milstein于1975年创立了杂交瘤方法。所以制备单克隆抗体的技术又称杂交瘤技术(hybredoma technique)。 杂交瘤技术的基本原理是用分泌抗体但不能长期培养的B细胞与能在体外长期培养并可低温保存的肿瘤细胞进行杂交。筛选得到的杂交瘤细胞应该是既能分泌抗
13、体又有瘤细胞的特性，可长期传代培养，又可在液氮中保存的细胞。把这些细胞单克隆化，用单克隆化的杂交瘤细胞进行单克隆抗体的生产（图71）。 2B细胞与瘤细胞的来源及杂交瘤选择原理 最常用的单克隆抗体是小鼠的单抗，此外也有大鼠的和人源的单抗。人源单抗制备比较复杂。小鼠单抗的制备通常是使用Balbc小鼠的B细胞和它的骨髓瘤细胞。大鼠的单抗制备通常用Louc大鼠及其骨髓瘤和Y3AO大鼠及其骨髓瘤细胞(表72)。B细胞是从免疫动物的脾脏中分离出来的。动物免疫方法与抗血清制备相同，只是在制备脾脏前3d必须进行一次静脉加强注射以保证得到的B细胞有旺盛的分泌抗体的活性。骨髓瘤细胞有许多细胞株是经过诱变和筛选得到
14、的缺陷型。筛选的标准是瘤细胞本身不产生抗体或者产生抗体的某种链，但不能分泌；是次黄嘌呤鸟嘌呤核苷酸转移酶(HGPRT)和胸腺嘧啶激酶(TK)的缺陷型。因为这种缺陷型的瘤细胞正常的核酸合成途径被氨基喋吟(aminopterin)阻断后，由于缺失这些酶，即使补充它的底物次黄嘌呤(H)和胸腺嘧啶(T)，核酸合成的旁路也不能起到救援的作用，结果导致瘤细胞死亡(图72)。而杂交瘤细胞因带有B细胞的全套基因，在HAT存在的条件下借助于HGPRT和TK的作用通过替代的核酸合成途径能正常合成DNA和RNA。所以杂交瘤能正常地生长繁殖而被选择出来。未被融合的游离的B细胞只能存活3d而后自行死亡。这就是用HAT培
15、养基进行选择的原理。 3细胞杂交与选择培养 (1)融合：细胞杂交之前，要分别准备好脾脏的B细胞悬液和小鼠骨髓瘤细胞(如SP20Agl4细胞株)。免疫后的小鼠脾脏在无菌条件下破碎，将B细胞悬浮在没有血清的培养液中(通常使用RPMIl640商品配制)，并洗涤3次去掉小鼠的血清。SP20细胞是用加有10胎牛或小牛血清培养的，每天更换新鲜培养液使成为对数分裂期生长旺盛的细胞。细胞用RPMIl640洗涤23次，把两种细胞合并在同试管中，用50的聚乙二醇(相对分子质量为10001500)作为融合剂，在37条件下融合l2min。然后用1640培养液缓慢稀释，然后除去PEG，将细胞分散至HAT选择培养板中。电
16、融合方法也可用于单克隆抗体制备，虽融合率较高，但一次融合的细胞数少，且需专门设备，故限制了其广泛使用。融合时脾细胞和骨髓瘤细胞的比例在5：110：1均可获得满意结果，每次融合细胞数量在107108较为合适。融合后的细胞在40或96孔板上的HAT培养液(RPMIl640含1020胎牛或小牛血清和HAT)中37，5CO2条件下培养。融合后的细胞悬液中只有脾细胞和骨髓瘤细胞形成的杂交瘤细胞能在HAT培养基中生长，其他形式的融合细胞均不能生长未融合的细胞也不能在HAT培养液中生存(表73)。 在融合后的细胞培养过程中，饲养细胞(feeder cell)有助于杂交瘤细胞的生长。饲养细胞可用同种动物的腹腔
17、细胞或胸腹细胞。腹腔细胞中的吞噬细胞能清除死亡细胞碎片。使背景更为清洁“干净”。同时饲养细胞分泌的细胞因子或活性物质有助于杂交瘤细胞的生长。现有商品“杂交瘤细胞生长因子”可用于替代饲养细胞。 (2)阳性杂交瘤细胞的筛选与单克降化：杂交细胞经约1014d培养后，形成可用的细胞集落(克隆)。经过几次更换培养液(HT培养液)后进行抗体活性检测。常用的筛选枪测方法是ELISA和凝集试验，前者常用于可溶性抗原，后者适用于细胞、细菌等表面抗原。此外，DotELISA、免疫印迹及免疫荧光试验均可用于杂交瘤细胞的筛选。 使许多细胞克隆混合生长的细胞分离为单个的细胞克隆的过程称克隆化(colonization)
18、最常用的单克隆化方法是有限稀释法(limited dilution)，即将混合细胞经稀释后分装于培养板上，使培养板的大部分孔中只出现一个细胞。为了确保抗体分泌细胞来源于单个细胞，克隆化过程可重复进行，称为亚克隆化(subclonization)。除有限稀释法外，荧光激活细胞分拣法(FACS)也用于杂交瘤细胞的克隆化过程。 4单克隆抗体的扩大生产 产生特异性抗体的单克隆杂交瘤细胞株应立即扩大培养，以获得足够的细胞用于保存和生产可供应用的抗体。生产大量单克隆抗体的方法目前常用的有3种：小鼠腹水制备，大瓶培养和中空纤维反应器，前者多用于实验室制备，后二者适应于工厂化生产。 腹水制备：杂交骨髓瘤细胞在
19、腹腔中定植，并产生大量腹水。选用与单克隆抗体制备所用相同的动物品系或者含有相同基因的Fl代杂交品系。杂交F1代品系更适合于腹水制备，如果用异源动物制备腹水时可选用无MHC限制性的裸鼠。用小鼠制备腹水时，先用矿物油或Pristane致敏，以抑制其免疫功能，利于腹水的形成。腹腔注射106107个杂交瘤细胞，经过710 d后形成腹水。每只小鼠可获得35mL腹水，每mL含IgG抗体可达510mg。腹水中含有较多的杂蛋白和非特异性IgG，并且含有许多蛋白酶，易使抗体失活，因此腹水收集后应尽快纯化，以防止降解。 大瓶培养：采用1000mL或更大的摇瓶培养。大瓶培养上清体积大，但抗体浓度低，给抗体纯化带来很
20、大困难，消耗人力和培养液，增加生产成本。 中空纤维反应器：是比较经济的单克隆抗体生产方法。该装置由具有半透膜性质的成束的微孔纤维组成，杂交瘤细胞位于纤维外部的小量培养液中，培养液在纤维的微孔中循环，供给营养和带走废物，抗体大分子和小分子化合物被隔开。高密度的杂交瘤细胞能在此系统中维持数月，每天可产生数百毫克的抗体，抗体浓度高，体积小易于纯化。 胎(小)牛血清一直是细胞培养所必须的，在单克隆抗体生产过程中培养液中的血清蛋白使抗体的纯化增加了困难，近年开发的无血清培养技术已逐渐用于单克隆抗体的生产中。 5人单克隆抗体的制备 小鼠的单克隆抗体蛋白应用于人体后，作为抗原能引起人的免疫应答，大大降低其生
21、物活性，并可能导致变态反应。因此人源单克隆抗体在临床治疗上有广泛应用前景，引起人们的普遍兴趣。但是人单克隆抗体制备存在许多技术上和伦理上的障碍，如人杂交瘤细胞系不稳定，有些抗原不能对人进行人工免疫，人B细胞只能从外周血中分离而无法从脾脏取得等。尽管如此，一些人源单克隆抗体已经获得，技术上也在逐步完善起来。 人的瘤细胞株U266常用来与人外周血B细胞融合以获得人源单克隆抗体。另一些淋巴母细胞抹(LCL)则来源于EB病毒转化的淋巴细胞，如GMl500，W1L2和ARH77等也用于杂交瘤细胞的制备。这些细胞系表现ED病毒核抗原(EBNA)阳性，且形成的杂交瘤细胞抗体的分泌水平不高。 获得人单克隆抗体
22、的另一方法是用EBV直接转化某些抗体分泌细胞，使之成为“不死”的细胞在体外培养。EBV感染人B细胞后，病毒基因插入人B细胞基因组中，有1的细胞转化为“不死”的细胞。B细胞转化可通过“病毒驱动”和“细胞驱动”两种方法获得。前者是将B细胞与分泌EBV的B958细胞系一同培养，后者则是与EBNA阳性的LCL细胞一同培养。“细胞驱动”转化的B细胞比较稳定，抗体分泌能力也较强。 人淋巴母细胞系和人杂交瘤细胞较难获得，人单克隆抗体也可以通过异源杂文的办法制备，即将EBV转化的B细胞与小鼠骨髓瘤细胞融合，将获得的异源杂交瘤细胞再与免疫后的B细胞融合，得到人单克隆抗体分泌细胞，不产生自身免疫球蛋白，EBVA也
23、是阴性。 三、基因工程抗体的制备 1抗体的化学修饰 抗体Fc段用双功能连接剂与荧光素，同位素，酶，发光化合物，稀土元素以及药物，毒素等连接后，并不影响其Fab功能区与特异性抗原结合。根据交联物的性质不同，标记的抗体可用作诊断试剂，也可作为药物的定向载体，引导药物或毒素到达抗原存在部位使药物或使毒素发挥更有效的作用，即俗称“生物导弹”。从而减少药物、毒素、同位素、酶在肿瘤治疗过程中引起严重的副作用，大大提高治疗肿瘤的效果。 许多毒素如蓖麻毒素，白喉毒素，天花粉，红豆毒素等均为蛋白质或糖蛋白，可用双功能剂与抗体相连；吗啡，前列腺素，氨甲喋吟，磷酸酯酶C等含有羧基能用碳二亚胺(EDC)，混合酸酐法与
24、抗体的氨基形成酰胺键；同样，含脂肪胺的药物如庆大雷素，阿霉素在水溶性EDC的作用下与抗体的羧基连接；而含芳香胺的药物则先在低温下与亚硝酸作用形成重氮化合物，再与抗体分子上的酪氨酸或组氨酸残基形成偶氮键。总之通过抗体的化学修饰把抗体的特异性用到定向给药和定位检测上。 2抗体基因文库 抗体基因文库(antibody recombination library)是将不同的重链和轻链基因随机组合，克隆到合适的表达载体中，在原核细胞表达不同的抗体，形成一个抗体库，从这个抗体库中，用抗原可以筛选到相应的抗体基因(图73)。抗体基因来源于杂交瘤细胞或动物B细胞(免疫或未免疫)的DNA和mRNA 。用质粒作为
25、抗体文库的载体，虽然也可能表达有活性的抗体分子或片段，但由线状噬菌体表达更为方便有效。M13、fd、F1等噬菌体的外壳蛋白由5种蛋白组成：p、p、p、p和p。每种含量不一，其中p含量最多，每个噬菌体有2700个p亚基，其余4种蛋白仅5个拷贝。增加噬菌体外壳蛋白的长度并不影响噬菌体的装配，抗体以融合蛋白的形式表达于噬菌体表面。噬菌体表达质粒常用的有fdCAT1、fdtetDOG1、PHEN1、pComb3和pComb3H等。抗体融合蛋白构建多用p和p，p拷贝数高，低亲和力的抗体蛋白容易筛选出来。在噬菌体表达抗体时，常常不表达完整的抗体分子，（因为CH2上不能进行糖基化）。根据不同的引物得到重链的
26、VH或VHCH1区，轻链的VL或VLCL区。VL和VH两个片段用一短肽作连接片段，形成单链可变区（singlechain fragment variable，scFv）；VHCH1和VLCL两片段则形成Fab片段。另外，单独的VH和VL也能结合抗原，如果二者形成同源或异源二聚体(dAb)，则稳定性和亲和性明显提高(图74)。此外在抗体片段DNA末端加上一些功能蛋白(如碱性磷酸酶和蛋白毒素)的基因，则表达的抗体就带有一定生物活性功能片段，可用于检测或治疗。如果在抗体基因末端加上终止子(TAG)则表达的抗体片段是可溶性的，而不是结合在噬菌体表面。 用特异性抗原免疫的动物B细胞构建抗体的噬菌体文库，
27、抗体亲和性高，用与免疫抗原不同的抗原筛选得到的抗体亲和性普遍较低。可用模拟天然体细胞突变的方法来提高亲和力。如混杂重组法，即将己获得的轻链或重链的V片段切下，再克隆至随机的文库中的V区构成二级文库，使H链和L链混杂，可以使抗体片段的亲和性提高。利用PCR错配将随机突变引人至抗体的抗原结合区，也能提高对抗原的亲和力。先用低亲和力的载体在噬菌体的P表达，筛选后、将抗体基因片段PCR扩增转至P上表达，可获得高亲和力的抗体片段。 抗体基因文库有两个优点，一是从不适合进行人工免疫的物种获得单克隆抗体，如人源单克隆抗体；二是可快速方便获得单克隆抗体。 3抗体基因的改造 将鼠源抗体的V区基因与人源抗体C区基
28、因重组，获得的嵌合抗体(chimerical antibody)，可保留鼠抗体对抗原的高亲和性，又减弱鼠源抗体对人的免疫原性，提高治疗性抗体的效果。重组的嵌合抗体基因转化骨髓瘤细胞或中国地鼠卵细胞(CH0)，可在其中表达。为了进一步地消除鼠抗体V区框架区(FW)的异源性，可实行CDR移植(CDR grafting)，以获得与鼠FW类似的人FW结构的嵌合抗体。 噬菌体表达的抗体仅含V区(scFv)或Fab片段，缺乏Fc区，使抗体的稳定性下降，半衰期缩短，与Fc受体结合功能也消失。因此在抗体功能片段的末端连接A蛋白、酶、细胞因子、CD4和毒素等分子，既可增加抗体片段的稳定性，又可发挥某些生物学活性
29、功能。 用抗体基因工程方法获得的抗体与效应分子交联物比用化学交联法具有优点：可以大量生产，不会因修饰作用影响抗体及效应分子的活性，效应分子还可根据需要进行改造。 此外在抗体片段的末端连接一段特异的双亲性螺旋(amphiphilic helixes)结构，如亮氨酸拉链结构(leucine zipper)，可使单价的scFv或Fab片段在体内或体外形成稳定的双分子聚合体，从而提高抗体片段的亲和力。此法也可用于制备双特异性抗体。 4基因工程抗体在真核细胞中的表达 噬菌体表达的抗体片段常常是在原核细胞(E.coli)中完成。原核系统表达抗体片段产量高，成本低，快速易于操作。但抗体片段在原核表达系统中不
30、能进行CH2糖基化，从而影响抗体的活性。因此重组抗体基因片段可转移至适合的骨髓瘤细胞系或哺乳动物细胞系(如CHO)，甚至于植物细胞中表达，可以得到与淋巴细胞表达相同的抗体分子。免疫球蛋白IgA的重链和轻链及分泌片基因可以分别转化不同的植株，将表达这些蛋白的植株进行有性杂交，在杂交后代中可以装配成完整的IgA双分子。以植物作为生物反应器进行抗体的表达已有许多成功的研究报道，与动物细胞相比更为经济，具有广泛的应用前景。 四、催化性抗体的制备 1抗体催化的原理 1986年，由PGschultz和RALerner分别领导的两个小组同时证明抗体具有催化活性。针对一个四面体带电荷的磷酸酯半抗原产生的抗体，
31、能有选择性地催化相应的碳酸脂和羧酸脂的水解反应。他们将这种有催化活性的抗体称为催化性抗体(catalytic antibody)，又称抗体酶(abozyme)。催化抗体的作用取决于底物分子水解时的转换态(transition state)(图75)。转换态的分子结构是分子活化后的一种结构状态，处于转换态的分子具有最高的活化能，分子表现极性。处于这种状态的分子也是最不稳定的，能与这种分子结合的酶或者抗体会使某些化学键发生断裂(如酯键，碳键，胺键等)起到酶解作用。可见抗体酶的作用与天然的蛋白质酶非常相似。抗体酶也表现出对底物的专一性，对立体结构的专一性。在饱和动力学与竞争性抑制方面都与常规酶相似。
32、所以抗体酶的发现打破了只有常规酶才有的分子识别和加速催化反应的传统概念，为酶工程学开创了新的领域。 2抗体催化的化学反应 由抗体催化的化学反应特异性高于酶，但催化速率低于常规的酶，只有l03106倍。但有一些未发现催化剂的反应，如DielsAlder反应也能被抗体催化。常规酶一般不能催化胺键水解，抗体酶能使胺键水解的速度增加25万倍。讫今为止，已发现和证明的由抗体催化的化学反应不下40种。 3催化性抗体的制备 抗体酶是抗原决定簇处于转换态结构的抗体。因为转换态分子极不稳定无法制备抗体，所以催化性抗体的获得主要是通过设计稳定的转换态的类似物作为半抗原，与载体蛋白交联后，免疫动物，获得针对半抗原的
33、抗体，从中筛选具有催化活性的抗体。筛选催化性单克隆抗体所用的ELISA与筛选一般抗体的方法不完全一样，应根据催化反应的特点而进行适当的修改。经典的方法是先筛选出与底物或半抗原结合的抗体，然后从中再筛选出有催化活力的抗体，这种方法费时费力。利用催化性抗体对底物的催化活性，对底物进行适当修饰，使催化反应的产物可直接表现抗体的催化活性，这样可以简化检测步骤。 转换态类似物半抗原的设计，必须了解催化反应的转换态模型的结构特点。催化抗体的抗原结合位点上与转换态互补的某些催化基团的形成，能稳定转换态分子。此外有人把单克隆抗体分子用化学修饰方法引入一些活性基团，提高催化性抗体的催化与亲和效率。应用噬菌体抗体
34、文库也可以筛选催化性抗体，可省去制备转换态类似物的复杂过程，直接用底物从文库中筛选有催化活性的抗体片段。如用半抗原免疫后制备的文库或文库经过多次混杂重组，则可以得到更高的亲和力的催化性抗体。抗独特型抗体也用于催化性抗体的制备，用酶作为抗原免疫小鼠获得能够封闭酶活性位点的单克隆抗体，将这个抗体用蛋白酶除去Fc片段，用Fab免疫其他品系的小鼠或家兔，得到的抗体具有相应的酶催化活性。 从理论上看，B细胞具有全套免疫球蛋白的多样性的胚系基因，当然也包括有催化作用的自身抗体在内。然而1989年Paul W.首次报道了人体的一种能催化蛋白质水解的免疫球蛋白。它是种自身抗体，能水解血管活性肠肽(vasoac
35、tive intenstinal peptide，VIP)的Glnl6Met17键。用VIP作为抗原能得到有催化作用的单克隆抗体，也能催化Glnl6Met17键。大约有17的人有这种自身抗体酶，但患有气喘的病人中该抗体与VIP的亲和力比健康人高50倍。由于VIP是一种气管松弛剂，因此有人认为这种VIP自身抗体的长期作用可能与气喘的过敏应答有一定关系。由此推测除了人工设计催化抗体以及发现的自身催化抗体外，用筛选单抗的方法，也有可能找到所需要的催化抗体。第二节 抗原抗体反应原理 抗体能特异性地识别相应的抗原，并与之结合。这种结合在体外也能发生，这种特性就是许多免疫检测方法的基础。抗原与抗体相互作用
36、是非共价的，可逆的，其特性符合许多化学反应的基本原理。但因为抗体分子的结构特点，以及抗原分子结构的多样性，使抗原抗体结合反应表现出复杂性。 一、抗原抗体作用的热力学与动力学 1溶液中抗原抗体的化学平衡 抗体与抗原的结合是非共价结合，二者在结构互补适应的基础上通过范德华力(van der Waals force)、静电引力、氢键和疏水作用等次级键相互作用。因为结合是可逆的，结合与解离的强度在定条件下取决于抗原与抗体的亲和力。如果以S代表抗体结合位，即互补位(paratope)；以L代表抗原决定簇；以SL代表抗原与抗体的复合物，则抗原(Ag)与抗体(Ab)在溶液中的反应如下： K+ K+AgAb
37、AgAb 即SL SL K KKSL/SLK+/ K 抗原抗体结合形成的复合物的浓度为SL，游离的抗体结合位的浓度为S，抗原决定簇的浓度为L。在反应早期复合物形成很快，一定时间后逐渐慢下来，直至复合物的形成与解离达到平衡(图76)。此时抗原抗体复合物的浓度SL与游离抗原表位的浓度S和游离抗体结合位的浓度L之比K是平衡常数，又称为内在结合常数，或称内在亲和力(intrinsic affinity)。K+和K分别为结合和解离反应速度常数。 在恒定的条件下，如温度、pH、离子强度等一定时，K是一个常数。改变抗原或抗体的浓度，复合物的浓度也相应改变以达到新的平衡，在一定范围内如果S与L增加2倍，则SL
38、应该增加4倍，但实际上会少于4倍，因为AgAb复合物的浓度SL是抗原抗体的一部分。如果上述浓度都以摩尔浓度molL表示，则是K的单位为浓度的倒数(Lmol)。如抗体的K在1071012 Lmol为高亲和力抗体，K低于107 Lmol为低亲和力抗体。 如果以解离常数(K)描述抗体的亲和力，比K更简单方便，Kd为K的倒数，即Kd1/K，单位为mol/L。Kd值越大亲和力越小，Kd越小亲和力越大。 2抗原抗体反应的自由能变化 抗原抗体反应的自由能改变与K相关：F0RTln K，KeF/RT，这里R摩尔气体常数8.31J(molK)；T绝对温度；ln自然对数；e自然对数的底数；F0标准的自由能变化，规
39、定F01molS与1mol L形成1mol SL时自由能的变化。负号表示自由能为负的变化。 从上式可以估计：当抗原抗体结合亲和力增加l0倍，则1n102303，37(3l015K)时的F05.94KJmol，温度低于37时F0更小。这种自由能变化还不足单个氢键的能量(约1881KJmol的13。即使亲和力非常高，K1010Lmol，F0只有594KJmol，仅相当于3个氢键的结合能。当抗原与抗体间形成氢键时，水的氢键被破坏，因此每个氢键的净能接近于4.18KJmol。由此可见抗体与抗原结合时，吸力与斥力几乎相等，即使在很高亲和力下，也只有几个千卡的微小差别。因而F的轻微增加会导致抗原抗体结合的
40、亲和力增高，这就不难理解当抗原结构发生某些微小改变(如化学修饰)时，会引起抗原抗体的亲和力的很大变化。自由能对K的影响取决于温度，然而自由能本身也受温度的影响： F 0H 0TS 0H 0 为焓变，S 0为熵变，T为绝对温度。K随温度的变化如下: dlnK /dT=H 0 / RT2 或dlnK/d(1/T)= H 0 /R 当氢键和极性键形成时，较大的负焓变驱动放热，亲和力会随温度的增加而下降。因此抗原抗体相互作用在4比在25或37有更高的亲和力，可见在给定的浓度下，最大眼度的结合在较低温度下达到的。相反，非极性或者疏水的相互作用受到熵的影响，TS 0和H 0接近于零，所以这时温度对亲和力影
41、响较小。 3.抗原抗体反应的动力学 抗原抗体反应达到平衡时的参数测定在实际操作时是困堆的。反应完成90，只需几分钟或几小时，而从90至99则需几倍的时间，而欲达到999完成时所费时则更长，因为此时的Ag和Ab已减少到极低的水平。测定一些参数在反应的早期或者未到平衡时是可行的，利用动力学可以计算出抗原抗体反应的特征性参数，用以描述抗原抗体反应的规律： K+ Ag（S）Ab(L) AgAb （SL） K 结合反应速度KSLM-1S-1 解离反应速度=K-SLS-1达到平衡时，则K+SLK-SL KK+K- KK+K-表明相同亲和力的抗体，其结合速度常数和解高速率常数并不一致。如果K+和K-均很大则
42、抗原抗体复合物形成很快，但不稳定；而K+和K-均小时抗原抗体复合物形成较慢，但很稳定。前者适合于亲和层析，后者适合于标记分析。 抗原抗体结合成复合物后解离的速度常数(K-)取决于结合键的强度。已知抗体的亲和力和结合速度常数K+，根据动力学基本公式KK+K-可以计算解离常速度数K-。例如抗葡萄球菌核酸酶的抗体对酶蛋白抗原的亲和力是8.3l08Lmol，结合速度常数K+41l05 L(mols)，比对半抗原的结合常数低。由公式KK+K-计算得到K-4.910-4 L(mols)。然后根据公式t1/21n2K-，计算半解离期(halftime for dissociation)，得到该抗体与抗原复合
43、物的半解离期为23min。了解抗原抗体复合物的半解离期便可知道结合物在多大的时间范围内稀释而不影响结合物的解离，这对在免疫亲和层析等许多其他免疫方法的应用中有重要意义。 抗原抗体反应的速度在很大程度上取决于抗原分子和抗体分子的扩散速率及碰撞的机率。扩散速度常数用下式表示： Kdl4D(61020) 为抗原和抗体分子半经之和(单位为cm)；D为反应系统中抗原和抗体分子的扩散常数之和(单位为cm2s)；61020为转换函数，为了把单位转换为L(mols)。例如10-6cm，D107cm2s，Kdl=7.5108L(mols)。通常大的蛋白抗原比半抗原与抗体结合的速率要慢，大部分蛋白质的结合速度在1
44、05106L(mols)，而理论上限为109 L(mols)。 二、抗体与单价抗原的作用 1抗体亲和力的测定 抗体亲和力的测定的方法常采用作图法。抗原抗体反应最简单的情况是单克隆抗体与单价抗原的反应，如半抗原与单克隆抗体或单克隆抗体与大分子抗原上单一的非重复的位点(抗原决定簇)的作用。以最简单的单克隆抗体与半抗原反应为例的作图法，首先用平衡透析(equilibrium dialysis)(图77A)来测定系列游离抗原及结合抗原的浓度。根据不向抗原浓度进行平衡透析所获得的结合抗原，游离抗原。抗体浓度是已知的。根据这些数据，进行Scatchard分析，即可计算出Ka的值(图77B)。 Scatch
45、art分析方法是将KaSL/SL分子和分母都除以抗体的浓度，SL/Ah=r,r代表每个抗体分子结合的抗原(单价)分子数SL/Ab=S/Ab.L(nr)C，S/Ab;表示每个抗体分子上未被抗原占有的游离抗体结合位的浓度。这浓度实际上是抗体分子上等于全部抗体结合位(n)减去以被抗原占据了的结合位数。因为用的是单价抗原，因此也就是减去结合的抗原分子数r，即(nr)。这里的n实际上代表抗体的价数。C在这里代表抗原的浓度L。由此得到公式： 当固定抗体的浓度用不同浓度的抗原进行一系列的平衡透析实验，得到一系列相应的r数据，然后根据以r/C对r作图。如果所用抗体是均质的（单克隆抗体），r/C与r的关系为线性
46、关系，它的斜率即为亲和力Ka（图77B）。从公式可见，当抗原的浓度很大的r/C0，所以Ka（nr）0或Kan=Kar,由图77B可见横坐标r的截距就等于抗体价n。2亲和力的异质性 当与单价抗原结合的抗体是多克隆抗体时，其Scatchard图呈非线性关系(图77B)。由于多克隆抗体来源于多个细胞克隆，其内在亲和力不同。内在亲和力的平均值Ko常用于表示异质的多克隆抗体的亲和力，Ko为抗体结合位点12被占据时的游离抗原浓度。 3抗体结合抗原的特异性半抗原反应抗体与单价半抗原反应的特异性极强，半抗原上化学基团的细小差别或位置的改变，则与抗体的反应性会表现明显的差别(图78)。抗体与同源抗原(homologous antigen)反应最强，与异
